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物联网 C# 虚拟仿真教学平台设计方案

本文件是设计方案的正式版本，随代码一起维护。最初在 Claude Docs 中讨论定稿（2026-10-20），2026-10-22 迁入仓库，并按第 0、1 阶段的实际实现更新。

项目定位与教学目标

这是一门面向中职学生的 C# WinForms 界面与事件编程课的在线仿真平台，物联网场景是让学生程序"看得见效果"的舞台。

• 学什么：窗体、控件、属性、事件、Timer、条件判断、方法与类等界面编程知识。核心是"事件驱动"的思维：程序等待事情发生（点按钮、定时器到点、传感器报警），再做出反应。
• 教材：《物联网编程与应用（第 2 版）》，以智慧校园为主线的 8 个项目。平台兼容教材的设备类库，教材代码原样可运行。
• 不学什么：通信协议、报文、CRC，以及 ADAM-4150 / 4017+ 等硬件模块的底层细节。
• 效果：学生写的程序能控制一个生动的智慧校园场景，比如 LED 屏显示文字、路灯亮起、有人闯入报警、烟雾告警，并能实时看到反馈。
• 使用方式：纯网页，学生不安装任何软件；只给本校使用，同时在线约一两个班。

已确定的关键决策

事项	决定	理由
学生编程语言	C#	课程要求
课程方向	上位机：WinForms 界面 + 事件	教学重点是界面和事件，不是协议
教材	《物联网编程与应用（第 2 版）》及配套资料	现用教材
实验模板与参考答案	以书为准，修正书中错误；配套工程只作参考	学生手里拿的是书
评测分工	功能项自动评；命名、缩进自动提示；注释和界面美观由老师评；分值由老师设定	书上评价表只有指标，没有分值
设备写法	兼容教材类库（DeviceCtrlHelper、Lamp / LED / Alarm 等控件）	教材代码原样运行，老师不用改教案
场景	智慧校园；先做虚拟实训台（照实训台布局图），校园街景后加	和机房实物一一对应
数据库（项目 6、8）	用 SQLite 模拟 SQL Server（仿冒 SqlClient）	不增加服务器负担
学生是否学协议	不学	协议只是仿真内部实现
使用形式	纯网页，免安装	学生在机房和家里都能用
学生代码在哪运行	服务器（沙箱隔离）	只供本校一两个班同时使用；原生 .NET 多线程行为真实；浏览器轻量
前端	Vue 3 + Naive UI + Chart.js	开发者熟悉 TypeScript 生态
后端	Bun + SQLite	一人开发，单机足够
部署	公网云服务器（2 核 8G，已备案）；HTTPS 由服务器上已有的 Nginx Proxy Manager 负责	本平台只在 Docker 网络里暴露 HTTP
开发人力	一人	范围和路线图按此控制

学生使用体验

页面分为编辑和运行两种模式。编辑模式照着 Visual Studio 来做，学生以后换到真的 VS 上操作一致。

编辑模式

• 左侧工具箱：常用控件（Button、Label、TextBox、CheckBox、ComboBox、Timer 等），以及"物联网"分组（教材的 Lamp、LED、Alarm、ShowMsg 等设备控件）。
• 中间「设计」和「代码」两个标签页：设计页拖放控件，窗体下方有组件栏（存放 Timer 和设备组件）；代码页用 Monaco 编辑 Form1.cs。
• 右侧属性窗口和事件窗口：双击控件或事件，自动生成处理方法并跳到代码页。
• Form1.Designer.cs 由设计器自动生成，可以打开查看。

运行模式

• 学生自己的窗体（Windows 风格）和虚拟实训台同时显示在页面上。
• 实训台上可以互动：拖动滑块调节温度、湿度、光照，点击切换人体红外、烟雾、火焰、红外对射，立刻看到学生程序的反应。
• 编译错误和运行异常用中文提示，并标出行号；书上常见的印刷错误（如 True 大写）给出针对性提示。

还原真实行为：在后台线程里直接修改控件，会抛出和 VS 中按 F5 调试时一样的"线程间操作无效"异常；单选按钮、复选框、下拉框的事件顺序与真实 WinForms 一致。

教材要求的运行能力：多窗体（Show、Hide、Close，项目 1 的登录程序就用到）；控制台输出面板（Console.WriteLine）；虚拟 COM 口（SerialPort.GetPortNames() 返回 COM1–COM5，保留"选串口、点打开"的操作步骤）。

导入与导出 VS 工程：设计器能读懂 VS 生成的 Designer.cs，教材配套的 19 个参考工程可直接导入，作为初始模板和参考答案；学生作品也能导出为 VS 工程，在机房真机上运行。

设备类库设计（兼容教材）

平台提供与教材同名、同签名的仿真类库（API 已从配套 dll 和使用说明中完整整理），教材代码一字不改即可运行。教材自带的仿真版返回随机数；平台的数值由实训台场景控制，联动逻辑可以被确定地验证和评测。

对象	主要成员	平台仿真行为
DeviceCtrlHelper.ledHelper	OpenLedCom(串口)、SendLedString(文本)	成功时原样返回文本，并在实训台 LED 屏上滚动显示；未打开串口返回 "Error:发送失败"
adam4017Helper	Open(串口)、SetData()、Close()	返回 ADAM4017ResModel，温度、湿度、光照、气压、空气质量、CO2、风速为整数字符串，取自实训台滑块
adam4150Helper	Open(串口)、SetData()、OnOff(DO, 开关)、Close()	SetData() 返回人体红外、火焰、烟雾、红外对射四个 bool；OnOff 控制报警灯（DO0）、照明灯（DO1）、路灯（DO2）、插座（DO3、DO4）
zigBeeHelper	Open(串口)、OnOff(继电器, 开关)、Close()	控制 ZigBee 继电器；节点 1 接实训台照明灯 1（教材项目 3 的路灯）
ipCameraHelper（未实现）	Open(IP, 用户, 密码)、Start / Stop、PanUp / PanDown / PanLeft / PanRight、ImageRead 事件	在后台线程定时推送画面；云台转动即在全景图上移动取景
控件 Lamp / Alarm / LED / ShowMsg	OnOff(bool)、setLedText(文本)、AddText(文本)	窗体上的图示控件（自绘图片，尺寸与教材控件一致）；LED 文字滚动。ShowMsg 尚未实现

教材代码示例（项目 2 任务 1，向 LED 屏发送信息）：

private void btn_Open_Click(object sender, EventArgs e)
{
    DeviceCtrlHelper.ledHelper.OpenLedCom(com_Port.Text);
}

private void btn_Send_Click(object sender, EventArgs e)
{
    string res = DeviceCtrlHelper.ledHelper.SendLedString(txt_SendText.Text);
    if (res.IndexOf("Error") >= 0)
    {
        MessageBox.Show(res);
    }
    else
    {
        led.setLedText(res);
    }
}

兼容细节：

• 数值一律返回整数字符串（项目 7 用 Convert.ToInt16 转换）。
• 4017 和 4150 允许打开同一个串口；允许重复调用 Open。
• 串口没有打开时，OnOff 控制无效、返回 false。教材仿真版不检查这一点，平台按实物行为处理：学生忘了"打开"，窗体上的灯会亮而实训台上的灯不亮，正好暴露问题。
• 摄像头事件在非界面线程触发，与真实行为一致。

系统架构

学生代码在服务器上编译，并放进单独的进程运行；浏览器只负责显示和交互。三方之间只通过统一格式的 JSON 消息通信（定义见 shared/protocol.ts），以后如需改为在浏览器内运行，只替换 runtime/ 即可。

flowchart TB
  subgraph Browser["浏览器（Vue 3）"]
    Editor["代码编辑器 / 窗体设计器"]
    Forms["虚拟窗体<br/>按控件树渲染，用户操作发回服务器"]
    Board["虚拟实训台<br/>滑块、开关调节环境；显示灯、LED 屏"]
  end
  subgraph Server["Bun 后端（Hono）"]
    Session["会话<br/>每个浏览器一个，管理每次运行"]
    BoardState["实训台状态<br/>传感器输入、继电器输出、LED 文字"]
    Data["账号、班级、实验、评测（SQLite）"]
  end
  subgraph Runtime[".NET 10 运行时（运行进程在 bubblewrap 沙箱里）"]
    Compiler["编译服务（Roslyn）<br/>全服务器共用一个常驻进程"]
    Runner["运行进程（每次运行一个）<br/>仿真 WinForms + 教材设备类库"]
  end
  Browser <-->|WebSocket| Session
  Session --- BoardState
  Session -->|编译请求| Compiler
  Session <-->|标准输入输出，每行一条 JSON| Runner

数据流：

• 学生点"运行"：服务器把工程写到临时目录，编译服务编译出程序集，再启动一个运行进程。
• 学生在窗体上操作：浏览器只上报"用户做了什么"（点击、输入、下拉），由运行进程按真实 WinForms 的顺序触发事件，再把控件属性变化发回浏览器。
• 学生拖动实训台滑块：服务器更新实训台状态，推给运行进程；学生程序的 SetData() 直接读本地副本，不需要网络往返。
• 学生程序控制灯和继电器：运行进程报告给服务器，服务器更新实训台状态并推给浏览器。

目录结构

IOT/
├─ web/        Vue 前端：编辑器、虚拟窗体、虚拟实训台
├─ server/     Bun 后端：示例接口、会话、实训台状态、编译服务和运行进程的调度
├─ runtime/    .NET：仿真 WinForms（Sim.WinForms）、教材设备类库（Sim.Devices）、运行器（Sim.Runner）
├─ shared/     消息协议定义（TS 类型；C# 端对应实现在 Sim.WinForms/Host）
├─ samples/    示例工程，按教材任务整理
└─ docs/       设计方案、教材逐任务摘要

技术栈

网站主体用 TypeScript；只有编译和运行学生 C# 代码的部分用 .NET。标"计划"的尚未引入。

层	用途	选择
前端	框架	Vue 3 + TypeScript + Vite
前端	状态管理 / 路由	计划：Pinia / Vue Router
前端	组件库（网站外壳）	Naive UI
前端	代码编辑器	Monaco Editor
前端	窗体设计器、虚拟 WinForms 控件	自研（Vue 组件 + CSS，外观模仿 Windows）
前端	虚拟实训台场景	HTML + CSS 动画
前端	图表	计划：Chart.js
前端	实时通信	浏览器原生 WebSocket
后端	运行时	Bun
后端	Web 框架	Hono
后端	数据库	计划：SQLite（bun:sqlite）+ Drizzle ORM
后端	登录	计划：Cookie 会话 + Bun.password
后端	参数校验	计划：Zod
C# 运行时	平台	.NET 10 LTS
C# 运行时	编译	Roslyn，常驻编译服务，内存编译，中文报错；计划：编译时改写旧版线程 API
C# 运行时	运行器	.NET 控制台程序，模拟界面线程和消息循环
C# 运行时	仿真类库	自研：System.Windows.Forms 子集 + 教材设备类库 + Font 等少量 System.Drawing 类型
C# 运行时	数据库仿真	计划：仿冒 System.Data.SqlClient，底层 Microsoft.Data.Sqlite；T-SQL 用 ScriptDom 解析后转写
C# 运行时	图片编解码（如需）	计划：SkiaSharp
C# 运行时	代码补全	计划：Roslyn CompletionService
工程	仓库	Bun workspaces 单仓库
工程	测试	bun test（端到端、单元、压力测试）；计划：用教材参考工程做回归测试、Playwright
部署	服务器	一台 Linux 云服务器，2 核 8 GB
部署	沙箱	bubblewrap：每次运行一个独立命名空间（断网、只读、看不到其他进程），加 .NET 堆上限、CPU 时间上限
部署	HTTPS	Nginx Proxy Manager（服务器上已有），经外部网络 npm_proxy 转发
部署	反向代理 / 压缩	Caddy（只收 HTTP），网页文件由 Bun 直接提供
部署	进程管理	Docker Compose；镜像在开发机构建后经 ssh 传到服务器（deploy/deploy.sh）
部署	备份	计划：定时 sqlite3 .backup + 异地拷贝

安全与服务器资源

在公网上运行学生代码，必须做三层防护；第 0 阶段实测，100 个学生程序同时运行合计约 1.1 GB 内存。

安全措施（1、2 已完成；3 在第 2 阶段之前先用访问口令代替）

1. 沙箱隔离：每次运行用 bubblewrap 放进独立的命名空间：断网，只能看到系统只读文件、运行时程序和自己的工程目录（只读），/tmp 是独立内存盘，看不到其他进程，不继承服务器的环境变量。另外限制托管堆 128 MB、累计 CPU 时间 120 秒（防死循环占满 CPU）、运行时长 60 分钟，降低优先级（nice 10），全站同时运行上限 150 个。整个平台再放在 Docker 容器里：文件系统只读、去掉全部 capabilities、限制内存和进程数。服务器启动时自检沙箱，不可用时拒绝运行学生代码。
   • 没有选"每次运行一个 Docker 容器"：每次多 0.3–0.5 秒，而且应用要能操作 Docker 守护进程，这本身权限过大。代价是应用容器要放开 seccomp / AppArmor，才能让 bubblewrap 创建命名空间。
2. 编译检查：网络（System.Net）、反射（System.Reflection，AssemblyInfo.cs 里的特性除外）、启动其他程序（Process）、调用本机代码（DllImport、Marshal）、加载程序集、进程间通信、dynamic，编译时直接给出中文报错（SIM001）。文件读写由沙箱限制，不在编译时禁止（项目 7、8 要读图片）。
3. 账号管控：不开放自由注册，由老师用班级码或批量导入创建账号（第 2 阶段）。在此之前，全站用一个访问口令（.env 里设置，换口令后所有人要重新输入），按 IP 限制输错次数。

资源估算

• 编译器做成常驻进程，全服务器共用一个，约占 150 MB；学生程序运行时不加载编译器。
• 每个运行中的学生程序平均约 11 MB（按 PSS 计，共享的 .NET 运行库按进程数平摊；单看 RSS 约 47 MB）。
• 每个学生同时只运行一个程序，闲置超时自动结束。
• 两个班约 100 人同时运行，合计约 1.3 GB；8 GB 内存有充足余量。
• 2026-10-22 复测（Docker 容器限制为 2 核，加 bubblewrap 沙箱）：50 人同一瞬间点"运行"，4.4 秒内全部显示窗体（中位 2.3 秒），容器共 643 MB；100 人 8.4 秒（中位 4.1 秒），1.1 GB。瓶颈是 CPU（编译和启动），实际上课时点击会分散开。
• SQLite 开启 WAL 模式，定时备份。

实验规划

实验直接对应教材的 8 个项目，平台按项目顺序逐步补齐所需能力。下表依据配套 PPT、19 个参考工程和整本教材整理；项目 1–3 只需约 10 种控件、不涉及线程和数据库。

项目	教材内容	平台需要支持	状态
1 C# 入门基础	登录与新增用户（两个窗体）、计算器、继承与多态演示	多窗体、Label、TextBox（PasswordChar）、Button、ComboBox、MessageBox、控制台输出	已完成
2 环境监测	LED 屏推送文字；4017 采集温湿度和光照；采集后推送 LED	LED 控件、ledHelper、adam4017Helper、GroupBox、虚拟 COM 口	已完成
3 智慧路灯	ZigBee 开关路灯；人体红外每 5 秒检测并联动路灯	Lamp 控件、zigBeeHelper、adam4150Helper、CheckBox、RadioButton、Timer	已完成
4 入侵监测	红外对射检测；网络摄像机画面与云台；报警灯	PictureBox、摄像头仿真、Alarm 控件、图片保存	任务 1、3 已完成；任务 2 需摄像头
5 灾情监测	火焰（Timer）、烟雾（Thread）、灾情记录与推送	Thread（含 Suspend / Resume / Abort）、跨线程改界面、ListBox、FormClosing	任务 1 已完成；任务 2 需线程 API，任务 3 需 ListBox
6 数据存储	建库建表、采集入库与增删改、按时间段查询	SQL 窗口（代替 SSMS）、SqlClient 仿冒（SQLite）、DataGridView、DateTimePicker
7 情景控制	智慧教室、寝室、会议室三种情景联动	TrackBar、资源图片、PictureBox 当按钮、mp3 播放、虚拟时钟
8 管理平台	主界面、校园环境（自动控制、7 天温度图表）、校园安防（抓拍入库、历史图片）	Panel Dock、无边框窗体、透明背景、Chart、ShowDialog、图片存数据库

每个实验以数据形式存放（目前在 samples/，以后迁到 content/），由以下部分组成：

• 任务说明：对应书上的任务描述和步骤，控件名以书为准。
• 参考答案：修正后的书本代码（修正编译错误和逻辑错误，如 INSERT 列错位、漏写 new DataSet()、项目 7 开灯判断写反）。
• 常见错误提示：学生照抄书上的错误（如 True / False 大写、Catch(EventArgs ex)）时给出针对性中文提示。
• 评测规则：书上评价表的功能项转为自动检查，如"把光照调到 300，2 秒内照明灯应打开"。
• 扩展练习：书上"边想边做"和"自主探究"约 30 道，其中十余道是填空代码题，可直接做成填空练习。
• 场景配置：初始环境值、传感器与通道的对应关系、虚拟时钟起始时刻、预置数据表和样例数据。

老师不写代码也能修改或新增实验。

开发路线图

各阶段时长按一人兼职估算，会随实际进度调整。

flowchart TB
  P0["阶段 0 · 技术验证（已完成 2026-10-22）<br/>教材项目 2 任务 1 原样运行；实测编译、延迟、内存"]
  P1["阶段 1 · MVP（进行中，约 3 个月）<br/>虚拟实训台 ✔、代码编辑器 ✔、窗体设计器 ✔、多窗体 ✔<br/>教材示例：项目 1–3 全部 ✔，项目 4–5 中平台已支持的 3 个任务 ✔<br/>部署（沙箱、访问口令、Docker Compose）✔"]
  P2["阶段 2 · 教学闭环（约 2 个月）<br/>班级码登录、提交作业、自动评测、老师看板、成绩导出；一个班试用"]
  P3["阶段 3 · 扩展（下学期）<br/>教材项目 4–8：摄像头、线程、SQLite 模拟数据库、图表、虚拟时钟"]
  P4["阶段 4 · 进阶（之后）<br/>校园街景场景、故障注入题库、导出 VS 工程"]
  P0 -->|"关口：链路跑通，延迟和资源占用可接受"| P1
  P1 -->|"关口：教材项目 1–3 能在平台上完整做完"| P2
  P2 -->|"关口：一个班试用顺利"| P3
  P3 --> P4

并行事项：尽早办理 ICP 备案（需数周）。

第 0 阶段结果（2026-10-22，已完成）：教材项目 2 任务 1 的书上代码一字未改，在网页中完整运行：选串口、打开、推送文字到 LED 屏，未打开串口时弹出 "Error:发送失败"。本机实测（16 核、28 GB）：

指标	结果
编译（编译服务预热后）	10–300 ms
点"运行"到窗体出现	约 100 ms
单次操作往返	约 15 ms
100 个程序同时运行	合计约 1.1 GB，平均每个 11 MB，另加编译服务约 150 MB
100 个程序同时点击	往返中位数约 60 ms，P95 约 75 ms

验证中的调整：第一版每个运行进程都加载 Roslyn，单个约 170 MB；改为常驻编译服务后，运行进程不再加载编译器，编译也从约 0.9 s 降到几十毫秒。接入沙箱后在 2 核环境下的复测见上文"资源估算"。

第 1 阶段进展：

• 2026-10-22：虚拟实训台（服务器统一保存状态，网页调节环境）；CheckBox、RadioButton、Lamp、Alarm；教材项目 2、3 共 5 个任务的示例全部跑通。
• 2026-10-22：代码编辑器换成 Monaco：C# 语法高亮；编译错误以波浪线标在代码里，点错误信息跳到对应行；F5 运行、Shift+F5 停止（在整个页面生效，并阻止浏览器 F5 刷新）；改过的代码自动保存在浏览器本地，可一键恢复原始代码。前端打包后 JS + CSS 压缩约 1.2 MB。
• 2026-10-22：窗体设计器：工具箱拖放或双击添加控件，选中、拖动、改大小、拖进拖出分组框，Delete 删除、方向键微调；属性窗口和事件窗口；双击控件或事件生成事件处理方法并跳到代码；Timer 等组件显示在组件栏。Designer.cs 在浏览器端直接解析和生成：未改动的语句保留原文，教材 25 个参考窗体和全部示例读入再写出逐字节不变；布局语句（SuspendLayout / ResumeLayout / PerformLayout）的增删规则与 VS 一致。
• 2026-10-22：设计器撤销 / 重做（撤销"生成事件处理方法"时连同插入的方法一起撤掉，不覆盖学生已写的代码）；工具箱、属性、事件窗口全部显示中文，英文名放在悬停提示里；支持中文的控件名和类名。
• 2026-10-22：多窗体：新建窗体（与 VS 新建窗体相同的两个文件，沿用工程命名空间）、删除窗体（启动窗体不能删）；标签页按窗体分组；运行时点哪个窗口哪个到最前。新增示例：项目 1 任务 1 登录与增加用户（两个窗体的 Designer.cs 由设计器引擎生成）。
• 2026-10-22：整理教材示例：项目 1 任务 2（计算器、多态）、项目 4 任务 1（红外对射）、项目 4 任务 3（报警灯）、项目 5 任务 1（火焰）。界面取自配套参考工程，用设计器引擎按书上的控件名改名。至此 10 个示例，全部有"能编译"检查和端到端行为测试。项目 4–8 其余任务需要的能力（摄像头、线程 API、ListBox、数据库、TrackBar、PictureBox、图表）放到第 3 阶段。
• 2026-10-22：虚拟实训台按自身宽度自适应排列，可以收起成一行状态（传感器开关仍可点），给窗体显示区腾地方。
• 2026-10-22：部署：学生程序放进 bubblewrap 沙箱（断网、只读、看不到其他进程和服务器环境变量；限制堆内存、CPU 时间、运行时长，全站并发上限）；编译检查禁止网络、反射、启动进程等 API；访问口令；Bun 直接提供打包好的网页；Dockerfile + Docker Compose（Caddy 接入 NPM 的 npm_proxy 网络）+ 部署脚本，本机按服务器配置（2 核）完整验证。

技术风险与待确认事项

最大的风险是仿真 WinForms 的覆盖面和交互流畅度；交互流畅度已在第 0 阶段验证。

风险	担心什么	应对
仿真 WinForms 工作量	项目 4–8 需要的控件和窗体特性较多	按项目逐步实现；项目 1–3 只需约 10 种控件
事件顺序保真	书上代码依赖真实 WinForms 的事件顺序：单选按钮先触发"取消选中"再触发"选中"，ComboBox 的 Click 先于展开，CheckBox 的 Click 时 Checked 已切换	逐项对照真实行为实现，并用书上代码做回归测试（单选、复选、下拉已实现并有测试）
书与配套不一致	控件名、步骤在书、表格和配套工程之间经常不同，书上代码有编译错误	以书为准逐任务整理模板和修正版答案
T-SQL 转 SQLite	教材用 SQL Server 写法（TOP、CONVERT、DataAdapter 回写、日期字符串）	用 ScriptDom 解析后转写；连接串一律指向学生自己的 SQLite 库；日期统一存为标准格式；以教材全部 SQL 语句为测试集
旧版线程 API	Thread.Suspend / Resume / Abort 在新版 .NET 上会报错	编译时替换为平台实现的可暂停线程
图片处理	System.Drawing 在 Linux 上不受支持	自实现 Image / Bitmap 等少量类型，只传递和保存图片
时间相关逻辑	项目 3 起就有按时刻开关灯的练习，部分定时器间隔长达 2 小时	提供可调、可加速的虚拟时钟
事件延迟	浏览器和服务器之间来回传递事件，点击是否有卡顿感	已实测：单次约 15 ms，100 个程序同时操作中位数约 60 ms
并发资源	100 个程序同时运行时的内存和 CPU	已压测：100 个程序合计约 1.1 GB；2 核下 100 人同时启动约 8 秒；CPU 时间上限防死循环，运行超时回收
公网安全	恶意或无意的危险代码	bubblewrap 沙箱 + 编译检查（已完成）+ 访问口令，第 2 阶段换成账号
ICP 备案	办理需要数周	已备案

待确认

• 串口是否要求接对：目前学生选任意 COM 口都能控制设备；是否在部分实验中要求按实训台接线（COM2 4017、COM3 4150、COM4 ZigBee、COM5 LED）
• 虚拟实训台的画面细节（目前为第一版）
• 第一个场景：智慧校园（和教材一致）
• 设备写法：兼容教材类库
• 数据库：教材用 SQL Server 2008 R2，平台用 SQLite 模拟
• 项目 5 的推送方式：推送到 LED 屏